1、1田田 俐俐湖南科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院湖南科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 2012-08-21納納 米米 材材 料料 nanomaterials2主 講 教 師 姓名：姓名：田田 俐俐 研究方向：研究方向：功能材料化學(xué)，納米光電材料功能材料化學(xué)，納米光電材料 TelE-mail：tianli_ QQ：8490500313學(xué) 習(xí) 要 求 課堂要求：課堂要求：按時(shí)到課，認(rèn)真聽課，要求互動(dòng)按時(shí)到課，認(rèn)真聽課，要求互動(dòng) (20%) 課后：課后：及時(shí)復(fù)習(xí)，適當(dāng)預(yù)習(xí)，按時(shí)完成作業(yè)及時(shí)復(fù)習(xí)，適當(dāng)預(yù)習(xí)，按時(shí)完成作業(yè) 作業(yè)要求：作業(yè)要求：工整簡(jiǎn)潔，按時(shí)上交（工整簡(jiǎn)潔，按時(shí)上交（10%） 總評(píng)成績(jī)總

2、評(píng)成績(jī)=平時(shí)成績(jī)（平時(shí)成績(jī)（30%）+考試成績(jī)（考試成績(jī)（70%）4課 程 介 紹 必選課必選課 學(xué)時(shí)：學(xué)時(shí)：32 課程性質(zhì)課程性質(zhì):以納米材料的制備及結(jié)構(gòu)性能表征為以納米材料的制備及結(jié)構(gòu)性能表征為重點(diǎn)，比較全面和系統(tǒng)地介紹了納米材料的基本重點(diǎn)，比較全面和系統(tǒng)地介紹了納米材料的基本效應(yīng)、結(jié)構(gòu)以及在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用等內(nèi)容。效應(yīng)、結(jié)構(gòu)以及在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用等內(nèi)容。5課程任務(wù)、目的及要求深入了解和掌握深入了解和掌握納米材料的結(jié)構(gòu)、性能、制備、納米材料的結(jié)構(gòu)、性能、制備、檢測(cè)方法和工藝的基礎(chǔ)理論與知識(shí)檢測(cè)方法和工藝的基礎(chǔ)理論與知識(shí)了解了解納米材料領(lǐng)域內(nèi)最新進(jìn)展和成果納米材料領(lǐng)域內(nèi)最新進(jìn)展和成果具備具備具體

3、分析、設(shè)計(jì)、研究和應(yīng)用納米材料的基具體分析、設(shè)計(jì)、研究和應(yīng)用納米材料的基礎(chǔ)知識(shí)、基本方法和能力。礎(chǔ)知識(shí)、基本方法和能力。6 掌握納米材料相應(yīng)的基本知識(shí)、基本技掌握納米材料相應(yīng)的基本知識(shí)、基本技能及必要的理論基礎(chǔ)。能及必要的理論基礎(chǔ)。 了解納米材料的性能、最新研究進(jìn)展、了解納米材料的性能、最新研究進(jìn)展、應(yīng)用、發(fā)展規(guī)劃與產(chǎn)業(yè)化前景。應(yīng)用、發(fā)展規(guī)劃與產(chǎn)業(yè)化前景。本課程的教學(xué)要求7 多媒體教學(xué)多媒體教學(xué) 科研經(jīng)驗(yàn)與教學(xué)互動(dòng)模式教學(xué)科研經(jīng)驗(yàn)與教學(xué)互動(dòng)模式教學(xué) 理論教學(xué)與實(shí)踐操作相結(jié)合理論教學(xué)與實(shí)踐操作相結(jié)合本課程的教學(xué)方法8教材與教學(xué)參考書教材與教學(xué)參考書1. 納米材料 霍洪媛等 中國(guó)水利水電出版社 2

4、0032. 納米材料與納米技術(shù) 徐志軍 化學(xué)工業(yè)出版社 2011 3. 納米材料導(dǎo)論 唐元洪 湖南大學(xué)出版社 20114. 納米材料技術(shù) 周瑞發(fā) 國(guó)防工業(yè)出版社 2003 5. 納米材料學(xué) 汪信 化學(xué)工業(yè)出版社 2010 6. 納米材料與納米結(jié)構(gòu) 張立德 科學(xué)出版社 2001 7. 納米材料制備與應(yīng)用技術(shù)李群 化學(xué)工業(yè)出版社 2008 9 第第1章章 納米材料的基本效應(yīng)納米材料的基本效應(yīng) 目 錄 第第2章章 納米材料的結(jié)構(gòu)納米材料的結(jié)構(gòu) 第第4章章 納米材料的表征方法納米材料的表征方法 第第3章章 納米粒子的制備方法納米粒子的制備方法 第第5章章 幾種典型納米材料的制備與表征幾種典型納米材料的

5、制備與表征 第第6章章 納米材料的應(yīng)用納米材料的應(yīng)用101.1 1.1 納米材料與納米結(jié)構(gòu)納米材料與納米結(jié)構(gòu)1.2 1.2 納米材料的分類納米材料的分類1.3 1.3 納米材料的基本效應(yīng)納米材料的基本效應(yīng) 1.3.1 1.3.1 表面效應(yīng)表面效應(yīng) 1.3.2 1.3.2 小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng) 1.3.3 1.3.3 量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng) 1.3.4 1.3.4 量子隧道效應(yīng)量子隧道效應(yīng) 1.3.5 1.3.5 介電限域效應(yīng)介電限域效應(yīng)第第1 1章章 納米材料的基本效應(yīng)納米材料的基本效應(yīng)111.1 1.1 納米材料與納米結(jié)構(gòu)納米材料與納米結(jié)構(gòu) 納米是一種長(zhǎng)度單位，納米是一種長(zhǎng)度單位，1nm=

6、10-9m, nanometer。 納米材料納米材料：在三維空間中至少有一維處于：在三維空間中至少有一維處于納米尺度納米尺度范圍或由它們作為基本結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的材料。范圍或由它們作為基本結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的材料。蜜蜂腹部的納米磁性粒子蜜蜂腹部的納米磁性粒子12 納米材料由兩種結(jié)構(gòu)組元構(gòu)成。納米材料由兩種結(jié)構(gòu)組元構(gòu)成。 （1）晶體組元晶體組元（體相）：納米晶粒中的原子組成。（體相）：納米晶粒中的原子組成。 （2）界面組元界面組元（晶界相）：納米晶粒的表面原子形成的晶（晶界相）：納米晶粒的表面原子形成的晶粒間的界面原子組成。粒間的界面原子組成。 納米結(jié)構(gòu)：其尺寸介于原子、分子并小于納米結(jié)構(gòu)：其尺寸介于原子

7、、分子并小于100nm 的一種顯的一種顯微組織結(jié)構(gòu)（微組織結(jié)構(gòu)（原子團(tuán)簇原子團(tuán)簇、納米微粒納米微粒、納米孔洞納米孔洞、納米線納米線、納米薄膜納米薄膜）。）。納米材料：具有納米結(jié)構(gòu)的材料。納米材料：具有納米結(jié)構(gòu)的材料。 （1100nm）13過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)-納米世界納米世界以原子、分子為主體以原子、分子為主體-微觀世界微觀世界人類活動(dòng)的人類活動(dòng)的-宏觀世界宏觀世界-介觀世界介觀世界 納米材料是介于微觀與宏觀之間。納米材料是介于微觀與宏觀之間。14按維度劃分：按維度劃分：零維零維：指空間三維尺度均在納米尺度范圍，如納米尺度顆：指空間三維尺度均在納米尺度范圍，如納米尺度顆粒、原子團(tuán)簇等。粒、原子團(tuán)簇等。

8、一維一維：指在空間有兩維處于納米尺度范圍，如納米絲、棒、：指在空間有兩維處于納米尺度范圍，如納米絲、棒、管等。管等。二維二維：指在三維空間中有一維在納米尺度范圍，如納米?。褐冈谌S空間中有一維在納米尺度范圍，如納米薄膜、納米片等。膜、納米片等。三維三維：指塊體材料中含有納米顆粒或納米晶體。：指塊體材料中含有納米顆?；蚣{米晶體。1.2 1.2 納米材料的分類納米材料的分類151616在空間有兩維處于納米尺度的材料。如在空間有兩維處于納米尺度的材料。如納米絲、納米棒、納米管、納米帶等。納米絲、納米棒、納米管、納米帶等。n(1) 零維納米材料零維納米材料n在空間三維尺度均在納米尺寸以內(nèi)的材料。如納米

9、尺寸顆在空間三維尺度均在納米尺寸以內(nèi)的材料。如納米尺寸顆粒、原子團(tuán)簇、人造原子等。粒、原子團(tuán)簇、人造原子等。n(2) 一維納米材料一維納米材料17n(3) 二維納米材料二維納米材料在三位空間有一維納米尺寸在三位空間有一維納米尺寸的材料，如超薄膜、多層膜的材料，如超薄膜、多層膜等。等。 (4) 三維納米材料（納米固體材料）三維納米材料（納米固體材料）由尺寸小于由尺寸小于15納米的超微顆粒在高納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后所產(chǎn)生的緊密型固體材料。理工序后所產(chǎn)生的緊密型固體材料。巨大的顆粒間界面使其具有高韌性，巨大的顆粒間界面使其具有高韌性，納

10、米陶瓷。納米陶瓷。1818Morphologies of ZnO nanomarerials19192020211.3 1.3 納米材料的基本效應(yīng)納米材料的基本效應(yīng)1.1.表面效應(yīng)表面效應(yīng) 2.2.小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng) 3.3.量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng) 4.4.宏觀量子隧道效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng) 5.5.介電限域效應(yīng)介電限域效應(yīng)221. 1. 表面效應(yīng)表面效應(yīng)隨著粒度的減小，顆粒的比表面積增大，其表面能也隨隨著粒度的減小，顆粒的比表面積增大，其表面能也隨之提高；之提高；顆粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)的比例隨顆粒的變小而增大。顆粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)的比例隨顆粒的變小而增大。23當(dāng)超微顆粒的尺寸與光波波

11、長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)等當(dāng)超微顆粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)等物理尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致聲、光、電、物理尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱、催化等物理、化學(xué)性能的變化。磁、熱、催化等物理、化學(xué)性能的變化。2. 2. 小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng)24特殊的熱學(xué)性能特殊的熱學(xué)性能25顆粒尺寸對(duì)硬度的影響12 nm1.3 m26顆粒尺寸對(duì)晶格常數(shù)的影響=a/a=(a1-a)/a27奇特的磁學(xué)性能奇特的磁學(xué)性能超順磁性：納米顆粒尺寸小于一臨界值時(shí)，進(jìn)入超順磁狀態(tài)。如強(qiáng)鐵磁性-Fe，F(xiàn)e3O4和-Fe2O3塊體的顆粒直徑小于5nm, 16nm和20nm 時(shí)變成了超順磁性體。矯頑力：強(qiáng)磁性納米顆粒（F

12、e、Co合金、鐵氧體等），隨著顆粒尺寸降低，飽和磁化強(qiáng)度下降，但矯頑力卻顯著增加。2831134dVNEFN-納米顆粒內(nèi)導(dǎo)電電子總數(shù)，V-納米顆粒體積3. 3. 量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng) 當(dāng)顆粒尺寸降低到臨界值時(shí)，金屬納米 顆粒在費(fèi)米能級(jí)(EF)附近的電子態(tài)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象和半導(dǎo)體納米顆粒禁帶變寬的現(xiàn)象。 久保理論指出相鄰電子能級(jí)間距和金屬 顆粒直徑d之間的關(guān)系為：29Idealized density of states for one band of a semiconductor structure 半導(dǎo)體的能態(tài)密度半導(dǎo)體的能態(tài)密度30Room temperature optica

13、l absorption spectra of CdSe nanocrystallites dispersed in hexane正已烷中正已烷中CdSe的室溫光學(xué)吸收譜的室溫光學(xué)吸收譜31Wavelength of absorption threshold as a function of particle size 吸收閾值吸收閾值32Rayleigh light-scattering of particles deposited on a microscope glass slide. 沉積在玻璃片上的納米顆粒的瑞利散射沉積在玻璃片上的納米顆粒的瑞利散射33 電子具有粒子性又具有波動(dòng)性，

14、因此存在隧道效應(yīng)。 近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。4. 4. 宏觀量子隧道效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)34在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí)，電子就通過(guò)隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無(wú)法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在025微米。355. 5. 介電限域效應(yīng)介電限域效應(yīng)納米微粒分散在異質(zhì)介質(zhì)中由于界面引起的體系介電增納米微粒分散在異質(zhì)介質(zhì)中由于界面引起的體系介電增強(qiáng)。（局域場(chǎng)強(qiáng)的增強(qiáng)）強(qiáng)。（局域場(chǎng)強(qiáng)的增強(qiáng)）主要來(lái)源于微粒表面和內(nèi)部局域場(chǎng)強(qiáng)的增強(qiáng)。主要來(lái)源于微粒表面和內(nèi)部局域場(chǎng)強(qiáng)的增強(qiáng)。當(dāng)介質(zhì)的折射率對(duì)比微粒的折射率相差很大時(shí)，就產(chǎn)生當(dāng)介質(zhì)的折射率對(duì)比微粒的折射率相差很大時(shí)，就產(chǎn)生了折射率邊界，這就導(dǎo)致微粒表面和內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)比入射了折射率邊界，這就導(dǎo)致微粒表面和內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)比入射場(chǎng)